Strain rate, s
7. KOKEELLISET TUTKIMUSMENETELMÄT
Koemateriaalien muovattavuusparametrit määritettiin veto-, kuumaveto ja tyssäys- kokeita käyttäen. Lisäksi suoritettiin kovuuskokeita ja mikrorakennetutkimuksia.
Muovattavuuskokeet tehtiin Teknillisen korkeakoulun materiaalien muokkauksen ja lämpökäsittelyn laboratoriossa. Kovuuskokeet ja mikrorakennetutkimukset tehtiin VTT:n metallurgian laboratoriossa.
7.1 Veto- ja kuumavetokokeet
Yksiaksiaaliset veto- ja kuumavetokokeet suoritettiin 100 kN: n elektronisella Zwick 1385 aineenkoetuskoneella. Vetonopeus 0,7 mm/min.
Koesauvat olivat standardin SFS 3472 mukaisia lyhyitä suhdesauvoja kierreistukalla. Koesauvojen halkaisija oli 7 mm ja koepituus 50 mm.
Murtovenymän mittaamiseksi sauvoihin merkittiin 35 mm mittapituudet ohuilla naarmuilla. Murtovenymä ja murtokurouma mitattiin mittamikroskoopilla.
Kokeet tehtiin huoneenlämpötilassa sekä lämpötiloissa 200 °C ja 450 °C.
Kuumavetokokeissa vetosauvat kuumennettiin vetokonetta varten valmistetussa vastuslämmitteisessä pystyuunissa, joka oli varustettu PID-säätimellä. Sauvat vedettiin poikki noin 40 minuuttia kestäneen kuumennuksen ja lämpötilan tasauksen jälkeen. Lämpötila mitattiin vetosauvan viereen koepituuden keskikohdalle asetetulla termoelementillä. Termoelementin antama näyttö pysyi vakiona kuumavedon aikana
±5 °C:n tarkuudella. Oletettavasti tällöin myös sauvan lämpötila säilyi lähes samana.
Huoneenlämpötilassa suoritetussa vedossa venymä rekisteröitiin kurouman alkuun saakka venymäantureilla. Korotetuissa lämpötiloissa venymä mitattiin palkin liikkeestä, koska venymäanturien sijoittaminen kuumavetouuniin ei ollut mahdollista.
Veto- ja kuumavetokokeilla määritetiin murtovenymä A5, murtokurouma Z, myötölujuus Rpo,2 ja murtolujuus Rm- Hollomonin yhtälön muokkauslujittumis- parametrit n ja K määritettiin log-log-menetelmällä. Kutakin materiaali-lämpötila- kombinaatiota kohden tehtiin 2-3 vetokoetta ja ilmoitetut tulokset ovat näiden kokeiden keskiarvoja.
7.2 Tyssäyskokeet
Tyssäyskokeet suoritettiin 3 MN Jochnick & Norrman hydraulisella syväveto- puristimella. Käytetyt tyssäysnäytteet olivat kohdan 2.2.2 kuvan 2 mukaisia loveamattomia sylintereitä. Työkaluina käytettiin kohdan 2.2.2 kuvan 3 mukaisia tartuntakitkan aikaansaavia uritettuja puristuspintoja. Tyssäysnopeus oli lmm/s.
Kriittistä reduktiota määritettäessä näytteet tyssättiin yhtäjaksoisesti suunnilleen reduktioon 2/3 rc, jonka jälkeen tyssäystä jatkettiin murtumaan saakka reduktio- välein 2,5 %. Näytteiden murtuminen todettiin silmämääräisesti.
Tyssäyskokeet suoritettiin huoneenlämpötilassa sekä lämpötiloissa 200 ja 450 °C.
Tyssäysnäytteet ja puristustyökalut lämmitettiin koelämpödlaan kiertoilmauunissa.
Alustavissa kokeissa huomattiin, että lämpötilassa 450° C koenäytteet hitsautuivat kiinni puristustyökaluihin. Tämän estämiseksi työkalujen puristuspinnoille ruiskutettiin M0S2- dispersiota, joka toimi kokeessa irrotusaineena. Käytetyn mölybdenisulfidin ei katsottu vaikuttavan tyssäyskokeen kitkaolosuhteisiin, sillä koeolosuhteita jäljittävissä olosuhteissa suoritetut kohdan 4.2.4 mukaiset rengaskokeet antoivat kitkavakion m arvoksi noin 1, mikä vastaa kokeelle asetettua vaatimusta tartuntakitkaolosuhteista.
7.3 Kovuuskokeet
Kovuudet mitattiin pursotettujen tankojen poikkipinnoilta Brinell-kovuusmittarilla käyttäen 0 2,5 mm:n kuulaa ja 31,25 kg:n kuormaa. Jokaista näytettä kohti suoritettiin kymmenen koetoistoa, joista laskettiin keskiarvo.
7.4 Mikrorakennetutkimus
Mikrorakennetutkimukset suoritettiin optisella mikroskoopilla sekä pyyhkäisy- elektronimikroskoopilla (SEM). Optisella mikroskoopilla tutkittiiin lujitepartikkelien jakautumista matriisissa pursotuksen suuntaiselta ja sitä vastaan kohtisuorassa
olevalta tasolta. SEM:llä tutkittiin vetokokeen jälkeistä murtopintaa.
8. KOETULOKSET
Seuraavassa esitetään veto-, kuumaveto-, tyssäys- ja kovuuskokeiden sekä mikrorakennetutkimuksen tulokset.
8.1 Veto- ja kuumavetokokeet
Veto-ja kuumavetokokeilla mitattujen suureiden arvot murtolujuus (Rm)> myötö- lujuus (Rpo.2), murtovenymä (A5) ja murtokurouma (Z) sekä materiaalien muokkauslujittumiskykyä kuvaavien parametrien n ja K:n arvot kylmämuovaus- olosuhteissa on esitetty taulukossa 8. Kaikilla tutkituilla koemateriaaleilla havaittiin ns. kaksois-n-käyttäytyminen (double-n-behavior), jossa ni ja K¡ kuvaavat muokkauslujittumista venymän ollessa välillä 0,01< e ^ 0,04 ja П2 ja K2 venymän ollessa e > 0,04. Vakioiden Ki ja K2 arvot ilmaisevat jännitykset venymän arvolla
1
.
Taulukko 8. Veto- j a kuumavetokoetulokset lämpötiloissa 20, 200 ja 450° C.
Materiaali T
20 171 89 25,0 69,9 0,236 350 0,163 273
AA6061 200 127 85 29,3 85,3
450 23 20 46,2 91,8
AA6061- 20 224 123 7,3 10,5 0,181 410 0,114 328
20til.% 200 163 119 16,7 27,8
SiCp 450 25 23 20,1 24,2
AA6061- 20 155 85 16,7 31,1 0,219 306 0,150 242
15til.% 200 113 77 25,3 40,0
A12Û3D 450 16 14 26,1 39,6
Jauhemetallurgisten koemateriaalien huoneenlämpötilalujuuksia tarkasteltaessa (taulukko 8) voidaan havaita, että komposiitin myötölujuus on noin 38 % suurempi kuin samalla tavalla valmistetun lujittamattoman seoksen. Samansuuntainen, joskin pienempi, ero (30 %) on myös murtolujuuksissa. Verrattaessa valetusta aihiosta
pursotetun AA6061-15til.% AI2O3 -komposiitin ja lujittamattoman jauhe- metallurgisen AA6061-seoksen huoneenlämpötilalujuuksia toisiinsa havaitaan, että edellisellä on hieman pienempi myötölujuus (4 MPa) ja murtolujuus (16 MPa) kuin jälkimmäisellä alumiinioksidilujituksesta huolimatta.
Jauhemetallurgisten materiaalien huoneenlämpötilassa määritettyjä murtovenymän ja murtokurouman arvoja vertailtaessa todetaan, että lujittamattomalla seoksella on selvästi paremmat sitkeysominaisuudet kuin vastaavan valmistushistorian omaavalla komposiitilla. Lujittamattoman seoksen murtovenymän ja murtokurouman arvot ovat myös selkeästi paremmat kuin valetusta aihiosta pursotetulla AA6061-15til.%
AI2O3 -komposiitilla, jälkimmäisen hivenen alhaisemmasta lujuustasosta huoli
matta.
Kuvissa 36 ja 37 on graafisesti esitetty lämpötilan vaikutus koemateriaalien murto
ja myötölujuuksiin sekä murtovenymiin ja murtokuroumiin. Yleisenä piirteenä voidaan todeta, että kaikkien tutkittujen materiaalien murto- ja myötölujuudet laskevat lämpötilan noustessa materiaalien välisten lujuuserojen samalla pienentyessä. Murtovenymä ja murtokurouma näyttävät kasvavan lämpötilan mukana, mutta riippuvuus ei ole täysin selvä. Huomattavimman poikkeuksen tekee jauhemetallurginen komposiitti AA6061-20til.% SiC, jonka murtokurouma
lämpötilassa 200° C on 27,8 %, kun se lämpötilassa 450° C on vain 24,2 %.
Kuvassa 38 on esitetty tutkittujen koemateriaalien tyypillisiä jännitys-venymäkäyriä log o - log 6 - koordinaatistossa. Vaikka yksi Hollomonin yhtälön suora näyttäi
sikin kuvaavan vetokäyriä melko hyvin, parempi sopivuus saadaan jakamalla käyrät kahteen osaan. Tulokset on esitetty taulukossa 8, jossa käyrien alkuosan suureita on merkitty alaindeksillä yksi ja käyrien loppuosaa kuvaavia suureita alaindeksillä kaksi. Käyrät alkavat venymällä ei = 0,011, taitekohdassa E2 = 0,03—0,04 ja käyrät loppuvat arvoon £2 = 0,055-0,123. Taulukosta 8 todetaan, että jauhemetallurgisen AA6061-20til.% SiC -komposiitin ni-arvot ovat 0,055-yksikköä ja n2-arvot 0,049- yksikköä pienemmät kuin samalla tavalla valmistetun lujittamattoman AA6061- seoksen.
Myötölujuus(MPa)Murtolujuus(MPa)
0 6061
♦ 6061-20t.%SiC O 6061-15t.%A12O3
(a)
120
-200 300 Lämpötila (°C)
Q 6061
♦ 6061-20t.%SiC B 6061-15t.%A12O3
(b)
Kuva 36. Lämpötilan vaikutus koemateriaalien a) murto- ja b) myötölujuuksiin.
Murtokurouma(%)Murtovenymä(%)
Kuva 37.
Lämpötila (°C)
□ 6061
♦ 6061-20t.%SiC П 6061-15l%A12O3
(a)
Lämpötila
□ 6061
♦ 6061-20t.%SiC a 6061 -15t.%A1203
(b)
Lämpötilan vaikutus koemateriaalien a) murtovenymään ja b) murto- kuroumaan.
■ ■ ' r Venymä
□ 6061
♦ 6061-20l%SíC o 6061-15t.%A12O3
Kuva 38. Esimerkkejä koemateriaalien jännitys-venymäriippuvuudesta huoneen
lämpötilassa. Pisteet edustavat todellista jännitys-venymäkäyrää.
8.2 Tyssäyskokeet
Koemateriaalien kriittiset korkeusreduktiot määritettiin kohdan 2.2.1 mukaisesti.
Tyssäysnäytteiden kokeelliset kriittisen reduktion arvot on esitetty taulukossa 9.
Taulukosta 9 puuttuvat vertailumateriaalina käytetyn AA6061-seoksen kriittisten reduktioiden arvot lämpötiloissa 200 ja 450° C. Tämä johtuu siitä, että materiaalia ei sen suuren sitkeyden takia saatu murtumaan kyseisissä lämpötiloissa.
Taulukko 9. Tyssäyskokeen kriittiset reduktiot (korkeusreduktio murtumishetkel- lä, rc) sekä näytteissä havaitut murtumatyypit. Koetulosten vaihtelu
väli on ilmoitettu suluissa.
Materiaali Lämpötila (°C) Kriitt. red., rc (%) Murtumatyyppi
20 84 (82-85) 3
AA6061 200 >84
-450 >84
-20 48 (47-50) 1
AA6061-20til.% SiC 200 53 (50-57) 1+2 + 3
450 70 (67-75) 3
20 55 (50-60) 1+2 + 3
AA6061-15til.% AI2O3 200 58 (50-60) 1+2
450 74 (70-80) 3
Murtumatyypit: 1 = viistomurtuma 2 = sekamurtuma 3 - pitkittäismurtuma Jauhemetallurgisesti valmistetun AA6061-seoksen huoneenlämpötilassa määritetty kriittinen reduktio on noin 36 %-yksikköä suurempi kuin samalla tavalla valmistetun AA6061-20til.% SiC -komposiitin ja 29 %-yksikköä suurempi kuin valetusta aihiosta pursotetun AA6061-15til.% AI2O3 -komposiitin. Verrattaessa huoneenlämpötilassa suoritettujen koetulosten hajontaa keskenään voidaan havaita, että valetusta aihiosta pursotetun AA6061-15til.% AI2O3 -komposiitin hajonta on suurempi kuin jauhemetallurgisesti valmistettujen koemateriaalien.
Kuvassa 39 on graafisesti esitetty lämpötilan vaikutus komposiittimateriaalien kriittiseen reduktioon. Vertailun vuoksi on kuvaan otettu mukaan myös lujittamattoman AA6061-seoksen kriittinen reduktio huoneenlämpötilassa määritettynä. Kuvasta nähdään, että kummankin komposiitin kriittinen reduktio kasvaa lämpötilan noustessa saavuttamatta kuitenkaan missään vaiheessa lujittamattoman seoksen huoneenlämpötilassa mitattua arvoa.
s;
и3
■оv
□ 6061
♦ 6061-20t.%SiC О 6061-15t.%A12O3
Kuva 39. Tyssäyslämpötilan vaikutus kriittiseen korkeusreduktioon.
Kuvissa 40 ja 41 on esitetty esimerkkejä koemateriaalien tyssäysnäytteistä eri lämpötiloissa suoritettujen tyssäyskokeiden jälkeen. Kuvien näytteet on pyritty valitsemaan siten, että ne mahdollisimmman tarkasti vastaisivat kullekin tapaukselle määritettyä kriittistä korkeusreduktiota.
AA6061-F
rc = 84% rc > 84% rc > 84%
— 30
— 20
— 10
— 0
mm
TYSSÄÄMÄTÖN
NÄYTE T=20°C T = 200 C T = 450° C
(a)